CC BY
19
УДК 621.336.2
А. В. Мальцева1, С. М. Утепбергенова1, В. Н. Ли2
1Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация;
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), г. Хабаровск,
Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПОЛОЗА НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СКОРОСТНОГО ТОКОПРИЕМНИКА
Аннотация. В статье рассматриваются аэродинамические свойства полозов токоприемников SSS87, предназначенных для скоростного движения электрического подвижного состава. Приводятся спектры обтекания для различных форм контактных пластин. Решение задачи моделирования обтекания полоза токоприемника воздушной средой достигается путем применения методов вычислительной гидродинамики (CFD). Определены аэродинамические коэффициенты, необходимые для расчета аэродинамических характеристик. Построены аэродинамические характеристики полозов токоприемников.
Ключевые слова: токоприемник, аэродинамические характеристики, токосъем, лобовое сопротивление, поверхностные силы, аэродинамический коэффициент.
1 12 Alla V. Malceva , Sandugash M. Utepbergenova , Valerii N. Li
1Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation, 2Far Eastern State Transport University (FESTU), Khabarovsk, the Russian Federation
THE INFLUENCE OF THE SHAPE OF THE PANTOGRAPH SLIDE ON THEAERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF SPEED CURRENT COLLECTORS
Abstract. In article aerodynamic properties of SSS87 current collectors intended for the high-speed movement of the electric rolling stock are considered. Spectra are presented of the flow for different shapes of the contact plates. The solution of a problem of modeling of flow of the contact plates of the current collector with the air environment is reached by application of methods of computing hydrodynamics (CFD) the aerodynamic coefficients necessary for calculation of aerodynamic characteristics Are defined. Aerodynamic characteristics of current collectors are constructed.
Keywords: current collectors, aerodynamic characteristics, current puller, drag, surface forces, aerodynamic coefficient.
При повышении скоростей движения электроподвижного состава возрастает влияние аэродинамических сил, возникающих на токоприемнике при взаимодействии его с воздушным потоком, что в свою очередь приводит к изменению показателей надежности и экономичности токосъема.
Поэтому на стадии проектирования токоприемников скоростного подвижного состава необходимо учитывать их аэродинамические свойства [1]. В данной статье рассматривается влияние формы полоза токоприемника SSS87 на его аэродинамические характеристики (рисунок 1).
Рисунок 1 - Полоз токоприемника SSS87
Одним из способов уменьшения аэродинамического воздействия на токоприемник является подбор аэродинамически идеально подходящих форм его элементов. Аэродинамическое воздействие формируется скоростью воздушного потока, его плотностью и направлением относительно токосъемного устройства [2].
Постройка модели или усовершенствование уже готового образца с последующими испытаниями требует больших затрат средств и времени. В настоящее время имеется возможность создания виртуальной модели полоза с применением средств CFD (Computational Fluid Dynamics), которые позволяют получить спектры обтекания токосъемных устройств, построить их аэродинамические характеристики и рассчитать значения аэродинамических коэффициентов [3, 4].
По полученным результатам аэродинамических сил рассчитываются аэродинамические коэффициенты, чтобы на стадии проектирования анализировать аэродинамические качества новой конструкции с известной степенью точности и с минимальными затратами.
При движении электроподвижного состава на полоз токоприемника действует аэродинамическая сила Р, которая раскладывается на аэродинамическую силу лобового сопротивления Рвпх и подъемную аэродинамическую силу Рвп.
Аэродинамические характеристики полоза токоприемника обусловливаются его формой, скоростью и направлением воздействующего потока [1]. Составляющие Рвпх и Рвп определяются по формулам:
Рвпх = 0,5 • • р -$в2 • S • <»sa; (1)
Рш = 0,5• • р• 5• сова, (2)
где сх и су - аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы
соответственно;
р - массовая плотность воздуха, кг/м ;
5 - площадь миделевого сечения, м2;
$в2- скорость набегающего потока, м/с.
Численные эксперименты проводились для скругленного и трапецеидального сечений вставок полозов токоприемников (рисунок 2). Рассмотренные контактные пластины двух видов выполнены в следующих вариантах: без отверстий, с отверстиями цилиндрической и конусной форм. Длина вставок - 1200 мм, ширина - 40 мм, расстояние между полозами -510 мм.
Для выполнения сравнительного анализа аэродинамических качеств вставок различной формы также были проведены расчеты в отношении типовой контактной пластины, установленной в полозе токоприемника 88887 (рисунок 3).
Значения аэродинамических сил должны находиться в соответствии с параметрами контактной подвески с учетом динамического взаимодействия токоприемника с последней. Для этого необходимо найти подходящие компенсирующие вертикальные силы при движении токоприемника в обоих направлениях и во всем диапазоне скоростей. Результаты аэродинамических расчетов при использовании методов вычислительной гидрогазодинамики определяются заданными начальными условиями, качеством расчетной сетки и граничными условиями. Для сокращения временных и материальных затрат целесообразно использовать метод задания граничных условий [1, 5, 6].
Моделирование СББ состоит из трех основных этапов: генерация расчетной сетки, разработка числового алгоритма, моделирование турбулентных течений [7]. Моделирование турбулентных течений в настоящее время является основной проблемой вычислительной аэрогидродинамики.
Условия ламинарного течения может быть спокойным, упорядоченным при малой скорости потока и большой вязкости газа.
ю
20
1
40
10
г 10
40
■ \ / ч
о т т
1 А
40
Рисунок 2 - Исследуемые контактные пластины токоприемника: а - трапецеидальный без отверстий; б - трапецеидальный с цилиндрическими отверстиями; в - трапецеидальный с отверстиями конусной формы; г - скругленный без отверстий; д - скругленный с цилиндрическими отверстиями; е - скругленный с отверстиями конусной формы
№ 3(35) 2018
б
Рисунок 3 - Исследуемые контактные пластины токоприемника 88887: а - вид контактной пластины сбоку; б - вид сверху
а
б
в
а
Масштабом наличия таких условий является значение числа Рейнольдса [8]:
3-1
К =
V
где 3- скорость набегающего потока, м/с;
I - продольный размер тела, м;
V- кинематическая вязкость, м2/с.
Подробное описание всего диапазона турбулентности нецелесообразно, так как турбулентность является режимом течения, а не свойством среды. Для турбулентных течений характерен большой разброс чисел Рейнольдса, при различных числах Рейнольдса частота и длина волн изменяется до четырех - пяти раз [9].
Математическая модель вязкого воздушного потока описывается уравнениями Навье -Стокса [8]. Для ламинарного течения несжимаемой среды система уравнений имеет вид:
р(и-У)-и = У -р-1 + да(и + (Уи)т) рУ- и = 0,
+ F;
(4)
(5)
где и - скорость воздуха, м/с; р - давление воздуха, Па; р - плотность воздуха, кг/м ; да - динамическая вязкость воздуха, Па-с.
Граничные условия для нагнетания, стока воздуха и на стенке соответственно определяются по формулам:
и = -иоп, пг
-р1 + да(и + (Уи )т)
п = -р0, и = 0, = 0,
(6)
где и0 - скорость нагнетаемого воздуха на границе нагнетания, м/с; р0 - давление воздуха на границе стока, Па; п - единичный вектор нормали к границе.
Для моделирования турбулентных течений с высокими числами Рейнольдса можно использовать стандартную модель, в которой одновременно с уравнением Навье - Стокса решается два дополнительных дифференциальных уравнения переноса для осредненных пуль-сационных характеристик, через которые затем выражается коэффициент турбулентной вязкости Эти дополнительные уравнения и есть стандартная высокорейнольдсовая модель турбулентности Сполдинга - Лаундера.
Для определения турбулентной вязкости в этой модели определяются два скалярных параметра: удельная кинематическая энергия турбулентности к и скорость вязкой диссипации энергии турбулентности 8. Данная система уравнений имеет вид:
р (и - У)- и = У - р1 + (да + дат (и + (Уи)т)
+ F;
рУ- и = 0,
р (и-У)к = У р (и - У)-8 = У
да + -
дат
а
Ук
к
+рк- р8;
да + -
дат
а
У8
8 У
82 82
+ С81 — рк -С82р^рк к к
(7)
(8)
(9) (10)
k 2
= PC —; (11)
8
Vu: (v u + (V u ))
(12)
Здесь C81, C82, С, ok, o8 - безразмерные эмпирические константы (С81 = 1,44, С82 = = 1,92, С = 0,09, ok = 1, о8 = 1,3); k - турбулентная кинетическая энергия, м2/с2; 8 - ско-
2 3
рость диссипации турбулентной, м /с ; ^Т - турбулентная динамическая вязкость воздуха, Па-с; рк - скорость образования вихрей.
Аэродинамические коэффициенты элементов токоприемника можно получить, используя экспериментальные данные или спектры обтекания токоприемника потоком воздуха. Имеются различные способы визуализации обтекания физических тел воздушными потоками: шлирный, голографический, теневой, оптический, интерферометрический, дымовой, виртуальный и т. д. [1]. При проведении исследований использовался виртуальный метод с помощью программного обеспечения SolidWorks Flow Simulation. Условия реализации вычислительного эксперимента следующие: тип течения - ламинарное и турбулентное; среда обтекания - воздух; максимальное число продувок - 4; скорость набегающего потока -180, 200, 250 и 300 км/ч, угол атаки - 1 и 3°.
С использованием препроцессора указанного программного обеспечения была разработана трехмерная модель полоза токоприемника. Спектры обтекания определялись для различных скоростей потока воздуха. В качестве примера приведены спектры обтекания контактных пластин полоза формы скругленного сечения с отверстиями конической формы (рисунок 4).
Pk Т
У
m
Рисунок 4 - Спектры обтекания контактных пластин полоза потоком воздуха а - вид сверху; б - вид спереди
Программа позволяет определить направление и величину вектора скорости набегающего воздушного потока в любой точке расчетной области, что дает возможность найти значения аэродинамических сил и соответствующих коэффициентов для различных углов атаки и параметров турбулентности воздушного потока. Изменения значений входных данных благодаря сохранению промежуточных вычислений не влекут за собой значительное увеличение времени расчета.
Результаты расчетов аэродинамических сил для углов атаки 1 и 3° показаны на рисунках 5 и 6: силы лобового сопротивления - рисунки 5 и 6 а и подъемной силы - рисунки 5 и 6, б.
180 200 220 240 260 км-'ч 300 8-►
скругленный с отверстиями конусной форусы:
--трапецеидальный без отверстий:
--трапецеидальный е отверстия мк цилиндрической формы:
•-трапецеидальный с отверстиями
конусной формы; скругленный без отверстий:
■- скругленный с отверстиями цилиндрической форм к:
40
Н
л 30
25
20 ■
<
10 ■
5 -
0
■5 ||
10 1
р 15
30 '
■¿Ь
■30 -
■35
-40
560 ТЛРЧ 300
-- сируГЛ^нчыи £ &ТМрСТШК"и гпкутмэи
формы;
-- тряпец«[%даг1ьнь*й 6« йтверетий,
— трапец«гдальный 1 от&ерстнимк цилиндрической
■- трапецеидальный сотьерстинии конусной формы; скругленный без отверстий;
скругленныйс отверстии* и цилиндрической (¡крмы;
— 55*37
б
Рисунок 5 - Аэродинамические характеристики контактных пластин: а - лобовое сопротивление от скорости потока с углом атаки 1°; б - подъемная сила от скорости потока с углом атаки 1°
-+---СЦ)угЛ?ННЬ^ ц: ТПТГ|ТТПГПИТГ^П|т1 фО(И:Ы, ■ - щившй 5еэ «прем;
***- тоапгцшллльный с огаерспиамц
141 из ^орми ;
— - тзагкириальный с огвгрстшчк ижуеной фбриы,
— - * ^упиннъ« ■ оте дктпи;
- -с:<руп1:нщЛ с «вфенпкщинндегааБЙ фирьш,
—— ЕЕ55Т
— скрупмнний С ОЕЯерСИЖШН в»нусноГ[
форИЬ[г
■- 11>апш(-11лш1,кы0б« «афган;
1рарсисШ1альщ]й С ОТ? ер ТЮКИ ЦЦЛ МНЗр! 1Ч«КЙ фортЕЫ; " — тропСЦС1 ЕДЛЛЪКЬ]£| с отгверс гсскы [I
¿»НУЖНОЙ форньс. -- скрушичный й« отверстий,
— скругленный с отверстияш!
цкяиндрнчакй фермы;
—
б
Рисунок 6 - Аэродинамические характеристики контактных пластин: а - лобовое сопротивление от скорости потока с углом атаки 3°; б - подъемная сила от скорости потока с углом атаки 3°
а
а
Площадь миделевого сечения контактных пластин (см. рисунок 2, а - в) составила
2 2 0,497 м , пластин, приведенных на рисунке 2, г - е, - 0,437 м , для контактных пластин токо-
2 3
приемника 88887 - 0,417 м . Массовая плотность воздуха р = 1,2054 кг/м ; расчетная скорость воздушного потока - 180 - 300 км/ч. Результаты расчетов аэродинамических коэффициентов показаны в таблице.
Аэродинамические коэффициенты
Коэффициенты Варианты форм вставок
а б в г д е 88887
Сх, угол атаки 1° 0,156 0,157 0,160 0,159 0,161 0,156 0,173
Су, угол атаки 1° 0,021 - 0,013 - 0,005 - 0,005 0,002 0,02 - 0,008
Сх, угол атаки 3° 0,162 0,148 0,160 0,161 0,151 0,163 0,161
Су, угол атаки 3° 0,002 - 0,01 - 0,002 - 0,002 - 0,01 0,04 0,008
На основании изложенного можно сделать выводы.
По результатам расчетов сил лобового сопротивления и вертикальной силы для разных форм контактных пластин построены характеристики и определены аэродинамические коэффициенты. Полученные характеристики показывают, что лобовые сопротивления контактных пластин отличаются не более чем на 10 %, а вертикальные силы - в несколько раз. Кроме того, эти силы зависят не только от скорости движения, но и от скорости ветра. Поэтому из рассмотренных полозов аэродинамически более совершенным можно считать скругленный полоз с отверстиями конусной формы при расчетах с углом атаки 3° (см. рисунок 3, е) и скругленный без отверстий при расчетах с углом атаки 1° (см. рисунок 3, г), так как при минимальном лобовом сопротивлении у этих вставок создаются аэродинамические вертикальные силы, позволяющие обеспечить минимальный износ при высокоскоростном движении электроподвижного состава (ЭПС). Отверстия конусной формы обеспечивают прохождение встречного воздушного потока через токосъемный элемент, обеспечивая его охлаждение. Внедрение предлагаемого полоза (см. рисунок 2, е) токоприемника ЭПС позволит увеличить нагрузочную способность токоприемника, определяющую максимально допустимый ток, снимаемый при движении ЭПС, за счет лучшего охлаждения токосъемного элемента, а также уменьшить количество повреждений токосъемных устройств и ущерб от них.
Список литературы
1. Чепурко, А. Е. Повышение качества токосъема при высоких скоростях движения путем обеспечения рациональной аэродинамической характеристики токоприемника электроподвижного состава [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 2015 / Чепурко Алексей Евгеньевич. -Омск, 2015.- 178 с.
2. Маслов, Г. П. Влияние форм элементов токоприемника на его аэродинамическую характеристику [Текст] / Г. П. Маслов, М. А. Дятлова // Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - С. 31 - 35.
3. Краснов, Н. Ф. Аэродинамика: Учебник [Текст] / Н. Ф. Краснов. - М.: Высшая школа, 1981. - 720 с.
4. Смердин, А. Н. Особенности применения СББ-метода при расчете аэродинамических сил токоприемника электроподвижного состава [Текст] / А. Н. Смердин, А. Е. Чепурко // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург. - 2013. - № 3 (38). -С. 107 - 112.
5. Маслов, Г. П. Аэродинамические показатели токоприемников скоростного электрического подвижного состава [Текст] / Г. П. Маслов, М. А. Капралова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1 (1). - С. 20 - 25
6. Беляев, И. А. Аэродинамическая подъемная сила токоприемников [Текст] / И. А. Беляев // Вестник ЦНИИ МПС / ВНИИЖТ. - М. - 1968. - № 8. - С. 5 - 8.
7. Кузнецов, А. К. Аэродинамические показатели элементов для высокоскоростного движения [Текст] / А. К. Кузнецов // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1980. - C. 28 - 31.
8. Алямовский, А. А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А. А. Алямовский. - СПб: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.
9. Launder, B.E. Лекции в математических моделях турбулентности (Lectures in Mathematical Models of Turbulence) [Текст] / B. E. Launder, D.B. Spalding. - London.: Academic Press, 1972. - 169 с.
10. Пат. на полезную модель 182273 Российская Федерация, МПК B60L 5/00(2006.01). Полоз токоприемника электроподвижного состава [Текст] / Сидоров О. А., Чертков И. Е., Томилов В. В., Утепбергенова С. М.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - 2018104894; заявл. 08.02.2018; опубл. 09.08.2018, Бюл. № 22.
References
1. Chepurko A. Е. Povysheniye kachestva tokos"yema pri ysokikh skorostyakh dvizheniya putem obespecheniya ratsional'noy aerodinamicheskoy kharakteristiki tokopriyemnika el-ektropodvizhnogo sostava (Improving the quality of current collection at high speeds by ensuring rational aerodynamic characteristics of the current collector of electric rolling stock). Candidate of thesis, Omsk, OSTU, 2015, 178 p.
2. Maslov G. P. Influence of the forms of the elements of a current collector on its aerodynamic characteristics [Vliyaniye form elementov tokopriyemnika na yego aerodinamicheskuyu kharakter-istiku]. Materialy nauch.-prakt. konferentsii., posvyashchennoy 110-letiyu Omskogo gosudarstven-nogo universiteta «Innovatsionnyye proyekty i novyye tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte» (Abstracts of the Int. conference «Innovative projects and new technologies in education, industry and transpor»). Omsk, 2010, pp. 31 - 35.
3. Krasnov N. F. Aerodinamika (Aerodynamics). Moscow: Higher School, 1981, 720 p.
4. Smerdin A. N., Chepurko A. E. Peculiarities of the application of the CFD method in calculating the aerodynamic forces of a current collector of an electric rolling stock [Osobennosti ispol'zovaniya CFD-metoda pri raschete aerodinamicheskikh sil tokopriyemnika el-ektropodvizhnogo sostava]. Transport Urala - The journal of Transport of the Urals, 2013, no 3 (38), pp. 107 - 112.
5. Maslov G. P., Kapralova M. A. Aerodynamic indicators of current collectors of high-speed electric rolling stock [Aerodinamicheskiye pokazateli tokopriyemnikov skorostnogo elektrich-eskogo podvizhnogo sostava]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2010, no. 1 (1). pp. 20 - 25.
6. Belyaev I. A. Aerodynamic Lifting Force of Current Receivers [Aerodinamicheskaya pod"yemnaya sila tokopriyemnikov]. The journal of Bulletin of the Central Research Institute of the Ministry of Railways, 1968, no. 8., pp. 5 - 8.
7. Kuznetsov A. K., Aerodynamic parameters of elements for high-speed motion [Aerodinamicheskiye pokazateli elementov dlya vysokoskorostnogo dvizheniya]. Interuniversity collection of scientific papers, 1980, pp. 28 - 31.
8. Alyamovsky A. A. SolidWorks. Komp'yuternoye modelirovaniye v inzhenernoy praktike (SolidWorks. Computer modeling in engineering practice). St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2005, 472 p.
9. Launder B. E., Spalding D. B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence, London Academic Press, 1972, 169 p.
10. Sidorov O. A., Chertkov I. E., Tomilov V. V., Utepbergenova S. M. Patent RU 182273, 09.08.2018.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мальцева Алла Викторовна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (961) 882-62-82.
E-mail: malalla@mail.ru
Утепбергенова Сандугаш Мырзабековна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирантка кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (904) 070-09-86.
E-mail: sandee86@mail.ru
Ли Валерий Николаевич
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Серышева ул., д. 47, г. Хабаровск, 680021, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Системы электроснабжения», ДВГУПС.
Тел.: +7 (4212) 40-70-87.
E-mail: livn@festu.khv.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT AUTHORS
Malceva Alla Viktorovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Power supply of railway transport», OSTU.
Phone: +7 (961) 882-62-82
E-mail: malalla@mail.ru
Utepbergenova Sandugash Myrzabekovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Graduate student of the Department « Power supply of railway transport », OSTU.
Phone: +7 (904) 070-09-86.
E-mail: sandee86@mail.ru
Li Valerii Nikolaevich
Far Eastern State Transport University (FESTU).
47, Serysheva st. Khabarovsk, 680021, the Russian Federation.
Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the department «Power-supply system», FESTU.
Phone: +7 (4212) 40-70-87.
E-mail: livn@festu.khv.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Мальцева, А. В. Влияние формы полоза на аэродинамические характеристики скоростного токоприемника [Текст] / А. В. Мальцева, С. М. Утепбе ргенова, В. Н. Ли // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. - № 3 (35). -С. 45 - 53.
Malceva A. V., Utepbergenova S. M., Li V. N. The influence of the shape of the pantograph slide on the aerodynamic characteristics of speed current collectors. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 2, no 34, pp. 45 - 53 (In Russian).
